ES2687548T3 - Procedimientos para la detección y la localización de fugas de gas en zonas pobladas mediante análisis horizontal - Google Patents

Procedimientos para la detección y la localización de fugas de gas en zonas pobladas mediante análisis horizontal Download PDF

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Abstract

Un procedimiento de detección y localización de fugas de gas, donde el procedimiento comprende: realizar una o más mediciones de concentración de gas a partir de un instrumento de medición de gas (104) que es transportado por un vehículo o una entidad móvil (102) que avanza a lo largo de al menos un carril de plataforma (106) dispuesto cerca de una o más ubicaciones de fuga de gas potenciales; realizar un análisis de escala espacial horizontal automático de las mediciones de concentración de gas; determinar automáticamente si hay una fuga de gas presente en una o más de las ubicaciones de fuga de gas potenciales basándose en el análisis de escala espacial horizontal automático; y proporcionar una indicación de fuga en las ubicaciones de fuga de gas potenciales a un usuario final; caracterizado porqueel análisis de escala espacial horizontal responde a los anchos medios del pico de concentración de gas en un intervalo de detección de entre aproximadamente 1 m y aproximadamente 50 m, y no responde de forma sustancial a los anchos medios del pico de concentración de gas fuera del intervalo de detección, donde f(x) es la concentración de gas medida en función de la posición x, donde g(x,w) es una función de núcleo gaussiano que tiene una escala espacial especificada por el parámetro w, donde L(x,w) es una convolución de f(x) y g(x,w), y donde los picos de concentración de gas candidatos son identificados por el o los máximos locales de F(x,w)>=-w(∂ 2L(x,w)/∂ w2) con respecto a x y w.

Description

DESCRIPCION
Procedimientos para la deteccion y la localizacion de fugas de gas en zonas pobladas mediante analisis horizontal 5 CAMPO DE LA INVENCION
La presente invencion se refiere a la deteccion de fugas de gas.
ANTECEDENTES
10
La deteccion de fugas de gas es un problema practico importante. En muchos casos, es deseable buscar rapidamente fugas de gas en una region extensa. Un enfoque que se ha considerado para dichas aplicaciones es montar un instrumento de deteccion de fugas de gas en un vehfculo en movimiento, p. ej., como se considera en los documentos US 3.107.517,US 3.444.721 y US 4.164.138.
15
US 2006/203248 describe un sistema que es adecuado para el uso en la determinacion de la ubicacion de fugas de gases con una concentracion de fondo. El sistema es un sistema de medicion de gas de absorcion de retrodispersion por puntos que mide la absorcion y la distancia a cada punto de una imagen. La medicion de absorcion proporciona una indicacion de la cantidad total de un gas de interes, y la distancia proporciona un calculo 20 de la concentracion de gas de fondo.
US 6.750.453 se refiere a una fuente que dirige una luz modulada de banda ancha hacia una region de la atmosfera libre en la que puede estar presente el gas objetivo. Un radiometro de correlacion de gas responde a la luz transmitida a traves de la region. Los canales separados del radiometro responden a un unico rayo de luz despues 25 de su transmision a traves de la region. Un divisor de rayos separa el rayo en dos rayos, uno dirigido a cada uno de los canales. Los dos canales por separado y simultaneamente responden a uno de los rayos de luz respectivo para generar por separado y simultaneamente senales que juntas indican si el gas objetivo esta en la atmosfera libre.
US 2007/061114 se refiere a un procedimiento para determinar si un punto de medicion, medido mediante un 30 sistema LIDAR (DIAL) de absorcion diferencial, representa un punto de penacho o un punto sin penacho. Se determinan las longitudes del trayecto de concentracion (CPL) para multiples puntos de medicion. Se proporciona un CPL sin penacho promedio, CPL. Para cada punto de medicion, se calcula una desviacion estandar, CPLsd, basada en la propagacion de errores de primer orden y se determina que el punto de medicion representa un punto sin penacho cuando se cumple la regla de decision de Hooshmand (HDR).
35
US7704746 se refiere a procedimientos para la medicion de las fugas de dioxido de carbono de los depositos de retencion. En las formaciones geologicas se inyectan las fracciones trazadoras junto con el dioxido de carbono. Las fugas se controlan mediante analisis cromatograficos de gas de los absorbentes. Tambien se describe un proceso para la deteccion temprana de posibles fugas de dioxido de carbono de los depositos de retencion mediante la 40 medicion de las tasas de fuga de metano (CH4), etano (C2H6), propano (C3H8) y/o radon (Rn) de los depositos. Tambien se describe un procedimiento para marcar el dioxido de carbono retenido utilizando trazadores de perfluorocarbono (PFT) para demostrar su propiedad.
WO2009134692 describe el gas con isotopos estables que se monitorea continuamente mediante un sistema que 45 envfa un rayo laser modulado al gas y recoge y transmite la luz no absorbida por el gas a un detector. El gas del almacenamiento geologico o de la atmosfera puede ser monitoreado continuamente sin necesidad de recolectar muestras y transportarlas a un laboratorio.
WO2009156437 se refiere a un procedimiento de control remoto de una zona seleccionada de la atmosfera para 50 detectar la presencia de emisiones a la atmosfera que comprende mover una plataforma movil, como una aeronave, que transporta un sensor de componentes atmosfericos en un patron por encima y en las proximidades de la zona seleccionada, medir la concentracion de un componente de la atmosfera en uno o mas puntos a lo largo del patron con el sensor de componentes atmosfericos para obtener datos de concentracion, obtener datos complementarios y utilizar una tecnica de dispersion inversa, que utiliza los datos de concentracion con los datos complementarios para 55 detectar y localizar una o mas fuentes de emisiones y determinar las tasas de liberacion de masa emitidas y/o los flujos superficiales.
Sin embargo, los enfoques convencionales para la deteccion de fugas de gas movil presentan desventajas significativas. Tfpicamente, estas desventajas incluyen una o mas de las siguientes: 1) dificultad para distinguir una fuga del fondo, 2) dificultad para distinguir una fuga de otras posibles fuentes de gas medidas y 3) falta de una 60 distancia calculada a la fuente de fuga. En consecuencia, serfa un avance en la tecnica superar estas dificultades.
RESUMEN
Los presentes principios proporcionan un procedimiento de deteccion y localizacion de fugas de gas, tal como se 5 define en la reivindicacion 1. En las reivindicaciones dependientes se definen caractensticas ventajosas.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Las figuras 1a-b muestran esquematicamente un analisis horizontal de acuerdo con las realizaciones de la 10 invencion.
La figura 2 muestra esquematicamente un instrumento de absorcion optica ejemplar adecuado para el uso con las realizaciones de la invencion.
Las figuras 3a-b muestran resultados de analisis isotopicos de una realizacion de la invencion.
La figura 4 muestra un enfoque de manejo de gas adecuado para su uso en relacion con las mediciones 15 de la relacion isotopica.
Las figuras 5a-c muestran esquematicamente mediciones de varios puntos de acuerdo con las realizaciones de la invencion.
Las figuras 6a-c muestran esquematicamente algunos enfoques de manejo de gas adecuados para mediciones de varios puntos.
20 La figura 7 muestra una pantalla de interfaz de usuario ejemplar relacionada con las realizaciones de la
invencion.
DESCRIPCION DETALLADA
25 Resulta conveniente definir una fuga de gas como cualquier situacion en la que el gas esta presente en el ambiente en concentraciones por encima del fondo. Las fugas de gas, tal como se definen, incluyen, entre otras: fugas de los sistemas de transporte de tubenas de gas (p. ej., fugas de gas natural), fugas de las instalaciones de procesamiento o manipulacion de gas, y emisiones de fuentes de gas al ambiente (p. ej., contaminacion, emision de gas de los vertederos, etc.).
30
Un modelo de penacho de gas es cualquier modelo matematico que relaciona la concentracion de gas con la posicion en el espacio.
A) Analisis horizontal
35
A1) Principios
Las figuras 1a-b muestran un ejemplo de analisis de escala espacial horizontal de acuerdo con las realizaciones de la invencion. Una plataforma en movimiento 102 avanza a lo largo de al menos un carril de la plataforma 106. La 40 plataforma 102 puede ser cualquier vehmulo, tal como un automovil, un camion, una camioneta o una bicicleta. La plataforma 102 tambien puede ser cualquier otra entidad movil capaz de transportar el instrumento de medicion de gas, como una persona, un animal de carga, etc. El carril de la plataforma 106 esta dispuesto cerca de una o mas ubicaciones de fuga de gas potenciales (p. ej., 108a, 108b). Para simplificar, el carril de la plataforma se muestra como un unico segmento de lmea, pero en la practica el carril de la plataforma puede ser cualquier combinacion de 45 curvas y segmentos de lmea. En este ejemplo, una fuga en la ubicacion 108a emite un penacho de gas 110 que se intersecta con el carril de la plataforma 106. Un instrumento de medicion de gas 104 esta dispuesto en la plataforma. La practica de la invencion no depende de forma determinante de los detalles de la entrada de gas al instrumento 104. Una implementacion es colocar esta entrada en la parte delantera de la plataforma tan cerca del nivel del suelo como sea posible, con uno o mas puertos de entrada independientes (o una entrada difusora) que se extiendan por 50 todo el ancho de la plataforma. Una o mas mediciones primarias de concentracion de gas se realizan con el instrumento 104.
Tfpicamente, estas mediciones primarias de concentracion de gas se registran originalmente como concentracion en funcion de tiempo. La posicion de la plataforma en funcion de los datos de hora (p. ej., utilizando el Sistema de 55 Posicionamiento Global (GPS)) se combina con los datos de concentracion en funcion del tiempo para proporcionar datos de concentracion en funcion de la posicion, como se muestra esquematicamente en la figura 1b. Aqrn se muestra un pico 112 y un nivel de fondo 114.
La disponibilidad de los datos de concentracion en funcion de la posicion permite el analisis de escala espacial 60 horizontal automatico, que es util para distinguir las fugas de gas de los niveles de gas de fondo. En general, el
analisis de escala espacial horizontal incluye cualquier enfoque de analisis que utilice los datos de concentracion en funcion de la posicion de la plataforma para la deteccion de fugas de gas. A continuacion se presenta un ejemplo detallado. Observese que el metodo del valor umbral simple (es decir, la notificacion de una fuga si la concentracion medida es superior a X, y la no notificacion de una fuga si la concentracion medida es inferior a X, donde X es algun 5 valor umbral predeterminado) no es un ejemplo de analisis de escala espacial horizontal porque no se utilizan los datos de concentracion en funcion de los de posicion. Los resultados del analisis de escala espacial horizontal automatico se pueden informar a un usuario final. A continuacion se describen diversos enfoques para esta notificacion. Una posibilidad es proporcionar una indicacion binaria de sf/no de si hay o no una fuga.
10 El analisis de escala espacial horizontal se basa en el hecho de que las fuentes puntuales cercanas varfan rapidamente con los cambios de posicion a medida que la plataforma se desplaza, mientras que las fuentes distantes varfan mas lentamente, debido a la mayor extension espacial del penacho de emision. En otras palabras, se generan picos estrechos de concentracion de algunos metros de ancho muy cerca de la plataforma. La estrecha extension espacial se utiliza para sesgar las fuentes cercanas en el proceso de identificacion de fugas. Existen 15 diversos algoritmos posibles para realizar el analisis de escala espacial horizontal, incluidos, entre otros:
Busqueda de picos y analisis de ancho, los datos se pueden analizar utilizando procedimientos estandar de ubicacion de picos, y luego cada pico identificado se puede ajustar posteriormente (mediante optimizacion lineal o no lineal) en cuanto al centro y el ancho. La forma funcional utilizada para esta etapa de ajuste podrfa ser un pulso gaussiano (un gaussiano es la forma funcional esperada que adoptan los penachos que se propagan a traves de la 20 atmosfera) o la convolucion de un gaussiano y la respuesta del sistema (que es tfpicamente un gaussiano estrecho convolucionado con una cola exponencial).
Analisis de ondfcula de pico espacial - este algoritmo utiliza una funcion especial de base de modelo (relacionada con la segunda derivada discreta de la funcion de respuesta general del sistema de fuente puntual) que se 25 parametriza por su ancho o extension espacial. Este conjunto de funciones basicas se convoluciona con los datos de medicion. El analisis de ondfcula de salida proporciona la posicion horizontal y el ancho efectivo, que se puede relacionar a traves de un modelo de penacho de gas con la distancia de la medicion a la fuente de emision.
Preferentemente, el analisis de escala espacial horizontal automatico responde a los anchos medios del pico de 30 concentracion de gas en un intervalo de deteccion de entre aproximadamente 1 m y aproximadamente 50 m, y no responde de forma sustancial a los anchos medios del pico de concentracion de gas fuera del intervalo de deteccion. Esta selectividad espacial ayuda a distinguir las fugas de gas de las variaciones en la concentracion de gas de fondo. Por ejemplo, la concentracion de fondo de gas puede variar significativamente (p. ej., por un factor de 2 o mas), pero esta variacion tiende a ser a lo largo de una escala de longitud espacial significativamente mayor que el 35 intervalo de deteccion anterior. Cabe senalar tambien que estas grandes variaciones en la concentracion de fondo interfieren de manera significativa con el metodo del valor umbral simple para encontrar fugas de gas.
Las mediciones primarias de concentracion de gas se realizan preferentemente de forma rapida (por ejemplo, a una tasa de 0,2 Hz o mayor, mas preferentemente 1 Hz o mayor). Esto permite el concepto de conducir una plataforma 40 vehicular a velocidades de una calle de superficie normal (por ejemplo, 35 millas por hora) mientras se acumulan datos de concentracion en funcion de la posicion utiles. Si las mediciones de concentracion de gas son demasiado lentas, la resolucion espacial de los datos se reducira de forma indeseable. Preferentemente, las mediciones de posicion de la plataforma se realizan al menos tan rapidamente como las mediciones primarias de concentracion de gas.
45
Otros atributos significativos de la medicion de la concentracion primaria incluyen:
1) El analito de medicion primaria de gas debe estar presente en cantidades significativas para que todas las fugas sean detectadas por este procedimiento.
2) Los niveles de fondo tfpicos de este analito en el ambiente en el que se realizan estas mediciones (por ejemplo, 50 urbano) deben ser lo suficientemente bajos como para que el cambio de concentracion de las fugas detectadas
pueda distinguirse claramente de las senales de fondo locales a una distancia de 10-300 metros.
3) Para el gas natural, el metano es el constituyente mas abundante, pero otros hidrocarburos u otras especies (sulfuro de hidrogeno u otros odorantes) son analitos viables para la medicion de la concentracion primaria.
55 La presente invencion no depende de forma determinante de la tecnologfa de deteccion de gas empleada. Cualquier enfoque de deteccion de gas capaz de proporcionar mediciones de concentracion de gas de traza rapida puede emplearse para las mediciones primarias de concentracion de gas. Uno de los enfoques de deteccion de gases adecuados se muestra esquematicamente en lafigura 2. En este caso, las mediciones primarias de concentracion de gas son mediciones de la absorcion optica realizadas en una cavidad optica resonante dispuesta en un 60 instrumento en la plataforma movil. Mas especfficamente,la figura 2 muestra una celda de absorcion 202 capaz de
contener una muestra de gas para el analisis. La celda de absorcion 202 incluye una cavidad optica definida por espejos 204, 206 y 208. Este ejemplo muestra una cavidad anular con un modo de cavidad unidireccional 208 que se propaga en el sentido de las agujas del reloj alrededor de la cavidad. Se puede utilizar cualquier otra geometrfa de cavidad resonante. La absorcion de la cavidad puede medirse comparando la luz de salida 212 con la luz de 5 entrada 210. Alternativamente, la absorcion de la cavidad se puede medir midiendo la tasa de decaimiento de la radiacion optica emitida desde la cavidad (es decir, la espectroscopfa de anillo de cafda de la cavidad (CRDS)).
El analisis de escala espacial horizontal se puede combinar con el uso de trazadores (trazadores de relacion isotopica y/o trazadores qufmicos) para proporcionar la identificacion de la fuente de fuga. En la seccion B abajo se 10 proporcionan mas detalles sobre los trazadores.
El analisis de escala espacial horizontal tambien se puede combinar con mediciones de varios puntos y el analisis tal como se describe en la seccion C abajo. El analisis de escala espacial transversal automatico resultante puede proporcionar un calculo de la distancia a una fuente de fuga.
15
Aunque las mediciones primarias de concentracion de gas se realizan mientras la plataforma esta en movimiento, se pueden realizar mediciones de concentracion adicionales mientras la plataforma esta parada. Estas mediciones de concentracion de gas estacionarias pueden ser utiles para comprobar las concentraciones de gas de fondo.
20 Si bien se prefieren las mediciones en tiempo real, el analisis posterior de datos con muestras mas escasas (por ejemplo, mediante muestreo en el matraz de vacfo y analisis posterior mediante cromatograffa de gases u otros procedimientos) tambien puede ser un procedimiento viable para identificar correctamente las emisiones objetivo de otras fuentes de fondo.
25 Opcionalmente, el sistema puede incluir una fuente de informacion meteorologica atmosferica, especialmente la direccion del viento, pero tambien la velocidad del viento o la clase de estabilidad atmosferica, ya sea a bordo de la plataforma o en una ubicacion estacionaria cercana. "Cercano" significa lo suficientemente cerca como para que las condiciones atmosfericas en la ubicacion de la plataforma esten bien correlacionadas con las mediciones estacionarias.
30
Opcionalmente, el sistema puede incluir una camara de video integrada y un sistema de registro que se puede utilizar para rechazar fuentes potenciales basandose en las imagenes locales recogidas junto con los datos de concentracion. Por ejemplo, se podria descontar un pico de emisiones medido si un vehiculo propulsado por gas natural pasara cerca durante las mediciones.
35
El carril de la plataforma debe estar lo mas cerca posible de las fuentes potenciales. Con la disminucion de la distancia a la fuente de emision: 1) La senal de concentracion primaria aumentara, lo que permite una mayor confianza en la identificacion de fuentes y/o una deteccion de fugas mas sensible; 2) Se reduce el efecto del viento para ocultar las senales o desplazar la ubicacion medida con respecto a la ubicacion de la fuga; y 3) La extension 40 espacial de la senal de concentracion de la fuga se hace mas estrecha, lo que facilita la distincion de las senales de fondo y de los penachos de fuentes mas distantes (o extendidas), que tienen senales de variacion mucho mas lenta.
Opcionalmente, se pueden realizar mediciones repetidas de una unica ubicacion para proporcionar una confirmacion adicional (o rechazo) de fugas potenciales.
45
Opcionalmente, se pueden realizar mediciones en diferentes lados de la carretera o en diferentes carriles para proporcionar una localizacion mas precisa de la fuente de fuga.
Opcionalmente, el presente enfoque se puede utilizar junto con otros procedimientos convencionales, como la 50 inspeccion visual y/o las mediciones con medidores portatiles para detectar componentes emitidos, para refinar aun mas los resultados.
Opcionalmente, las mediciones se pueden realizar a velocidad reducida, o estacionadas en o cerca de la fuente, para proporcionar informacion adicional sobre la ubicacion y/o la atribucion de la fuente.
55
A2) Ejemplo
La presente seccion proporciona un ejemplo especifico del analisis de escala espacial horizontal con relacion a la deteccion de fugas de gas metano.
60
La concentracion de metano se mide inicialmente en funcion del tiempo. Se combina con la salida del receptor GPS para obtener la concentracion de metano en funcion de la distancia desde algun punto inicial. Se puede utilizar la interpolacion para muestrear los datos en una coleccion de puntos separada de forma regular.
5 La concentracion de metano varfa tfpicamente de manera gradual con la posicion y es, en gran medida, igual al nivel de fondo mundial de 1,8 partes por millon, junto con aumentos de las fuentes grandes y relativamente distantes, como vertederos y pantanos. Estos aumentos pueden aumentar el nivel de fondo en varias partes por millon. Por el contrario, una fuga tfpica de gas natural produce un penacho de metano que es bastante estrecho en extension espacial. Aunque varfa con las condiciones de estabilidad atmosferica, no es hasta que el penacho se ha propagado 10 mas de 100 m que su ancho medio es del orden de 20 m de tamano.
Por lo tanto, el problema de la deteccion de una fuga de gas mediante el perfil espacial de la concentracion de metano medida implica:
1) Insensibilidad a la estructura a gran escala, lo que se puede atribuir a las variaciones de fondo.
15 2) Deteccion de mejoras locales en la concentracion de metano por encima del fondo, lo que consiste en picos con anchos medios en el intervalo aproximado de 1m a 20m.
3) Rechazo del ruido en la medicion debido a imperfecciones instrumentales.
La idea basica de este enfoque ejemplar es convolucionar la concentracion de entrada en funcion de la distancia f(x) 20 con una coleccion de nucleos gaussianos
imagen1
para diversas escalas especificadas por el parametro w (aquf w tiene dimensiones de longitud al cuadrado). Si 25 definimos L (x,w) como la convolucion de f(x) y g(x,w), la segunda derivada normalizada-w(52L/5x2) es sensible a las estructuras en f de grado espacial proporcional a
imagen2
30 Por ejemplo, si f(x) es un pico gaussiano de a de ancho medio, es dedr,
imagen3
35
descubrimos que
imagen4
(2)
que tiene un maximo en x = 0 y w = 2a2. El valor del maximo es aproximadamente 0,385 veces la amplitud del pico original en f. Lejos del pico, esto cae suavemente a cero.
40
La base del algoritmo es calcular la superficie-w(52L/5x2) y analizar el resultado para los maximos locales en x y w. Para cada maximo (x,w), la posicion xgy wgde ancho medio del pico correspondiente se informan como x0=x y
W,
45
y la amplitud maxima se escala a partir del valor de la superficie en el maximo. Solo se considera un intervalo de w, que corresponde a un intervalo de anchos medios maximos de entre tfpicamente 1 m y 20 m que corresponde con las dimensiones del penacho que se observan en la deteccion de fugas.
50 Diversas propiedades matematicas permiten un calculo mas conveniente de la superficie de escala espacial anterior. Como los nucleos gaussianos cumplen
Bgfdw = ^d2g/dx2
es posible calcular la superficie como la convolucion de -2w(dg/dw) y la funcion de entrada f (x). Se utiliza un numero 5 finito de valores de w en la practica, separados geometricamente, a saber we|wi,w2,...,wn} donde w,=4(,-1)w 1 para algunos A > 1. La derivada parcial de g con respecto a w tambien se puede aproximar por una diferencia finita, y las convoluciones se pueden calcular como sumas discretas.
Es posible organizar el calculo de la superficie de escala espacial en forma de tuberfa, de manera que se utilice una 10 corriente de muestras de f(x) como entrada. Las convoluciones se pueden evaluar con lentitud, de modo que en cualquier etapa, solo se produzcan las muestras de la superficie que sean necesarias para determinar si un punto de la superficie es un maximo local. Una vez realizada la determinacion, se descartan las muestras que ya no se necesitan, de modo que todo el calculo se pueda realizar casi en tiempo real en una cantidad limitada de memoria.
15 Una vez obtenidas las ubicaciones, las amplitudes y los anchos de los picos candidatos, se puede aplicar una etapa de filtrado adicional que selecciona las amplitudes por encima de un determinado umbral (o dentro de un determinado intervalo). Tal como se describe mas detalladamente en la seccion D abajo, los picos restantes se pueden mostrar como indicaciones de fuga, utilizando iconos cuyos tamanos indican la amplitud del pico y cuyas posiciones en un mapa indican donde se ubico el pico a lo largo de la trayectoria.
20
B) T razadores
Se ha descubierto que la identificacion de la fuente se puede realizar utilizando mediciones de relacion isotopica. Por ejemplo, las relaciones isotopicas de metano (6D de CH4(%o) con respecto al agua de mar media estandar de 25 Viena (VSMOW) y 613C de CH4(%) con respecto a la Belemnita de Viena Pee Dee (VPDB)) entran en intervalos caracterfsticos segun la fuente de metano. Para el gas microbiano cercano a la superficie (p. ej., gas de pantano, gas de vertedero), estos intervalos son de aproximadamente -350 < 6D < - 260 y -63 < 613C < -40. Para el gas microbiano subsuperficial (p. ej., sedimentos de aguas profundas y gas de deriva), estos intervalos son de aproximadamente -250 < 6D < -170 y -90 < 613C < -60. Para el gas termogenico (p. ej., gas natural y gas de lecho de 30 carbon), estos intervalos son de aproximadamente -250 < 6D < -100 y -57 < 613C < - 28. Dado que estos intervalos basicamente no se superponen, las mediciones de la relacion isotopica se pueden utilizar para identificar la fuente de metano. Se espera que la identificacion de la fuente de relacion isotopica sea aplicable en general para las mediciones de fugas de cualquier gas.
35 Por lo tanto, un procedimiento de acuerdo con este aspecto de la invencion comienza con mediciones primarias de concentracion de gas de una plataforma movil tal como se describio arriba (se puede realizar u omitir el analisis de escala espacial horizontal de los procedimientos descritos anteriormente). Tambien se realizan desde la plataforma movil una o mas mediciones secundarias de la relacion isotopica desde la plataforma movil. Las mediciones secundarias de la relacion isotopica se utilizan para proporcionar identificacion de la fuente, mientras que las 40 mediciones primarias de concentracion de gas se utilizan para determinar la presencia/ausencia de una fuga de gas. Estos resultados se proporcionan a un usuario final.
Opcionalmente, se puede realizar el analisis de trazador qufmico ademas de los analisis de relacion isotopica para la identificacion de la fuente. Por ejemplo, el gas natural marcado con mercaptanos puede utilizar los mercaptanos 45 como trazador qufmico para distinguir de otras fuentes de gas natural, junto con la identificacion de la fuente de relacion isotopica.
Los atributos significativos de las mediciones del trazador (es decir, la relacion qufmica y/o isotopica) son los siguientes:
50 1) El trazador debe estar presente en el gas emitido en una relacion constante conocida con el constituyente primario para todas las fugas posibles dentro de un area de medicion objetivo. Esta relacion representa una "firma" de la fuente de destino.
2) La firma de la relacion de la fuente de emision objetivo debe ser diferente y distinguible de otras fuentes comunes del componente primario que se puede encontrar en la zona de medicion objetivo.
55 3) La firma de la relacion de la fuente de emision objetivo tambien debe ser diferente de la firma de la relacion para el fondo ambiental.
Por ejemplo, para el caso del metano como medida de concentracion primaria, otras fuentes comunes de metano en un ambiente urbano son los sistemas de alcantarillado, vertederos, instalaciones de procesamiento petroqufmico u
otras actividades industriales. Un ejemplo de un trazador util para el metano es la relacion isotopica estable del carbono (13C/12C) en la muestra de metano. El gas natural es un ejemplo de una fuente petrogenica de metano, que tiene una relacion isotopica estable diferente a la del gas biogenico emitido por el sistema de alcantarillado, drenajes pluviales o vertederos, por ejemplo.
5
Otras especies de trazadores candidatas incluyen, entre otras, la relacion isotopica estable de hidrogeno 2H/1H, sulfuro de hidrogeno u otros odorantes en el gas natural; o etano, propano u otros hidrocarburos.
Opcionalmente, los trazadores multiples proporcionan dimensionalidad adicional, lo que permite procedimientos 10 incluso mas efectivos para distinguir las fuentes objetivo de otras fuentes del componente primario.
Se puede emplear cualquier enfoque para realizar el analisis de la relacion isotopica. Un enfoque preferido es realizar la identificacion de la fuente de acuerdo con la interseccion y de un ajuste lineal de la relacion isotopica frente a la concentracion inversa (conocida como grafica de Keeling). Las figuras 3a-b muestran ejemplos de 15 dichas graficas. El ejemplo de la figura 3a muestra una senal tfpica para una deteccion de fuga (la interseccion y difiere del nivel de fondo). El ejemplo de la figura 3b muestra una senal de fondo tfpica (la interseccion y es igual al nivel de fondo).
Los principios basicos de un analisis de grafica de Keeling son los siguientes. Para un trazador unico, esta 20 proporcion variara entre el valor de fondo en el aire ambiente y un valor que se aproxima,pero no alcanza, la relacion que se encuentra en la emision pura, debido al hecho de que la relacion observada se debe a una mezcla de gas de fondo y emisiones. Un analisis denominado grafica de Keeling (desarrollado por Charles Keeling para el analisis del carbono 13 presente en el dioxido de carbono atmosferico) se puede utilizar para identificar claramente el fondo y la fuente, trazando la relacion del trazador en funcion de la inversa de la concentracion primaria observada. La 25 interseccion de esta grafica es la relacion del trazador de la fuente de emision. Si este valor se puede distinguir de otras fuentes posibles, entonces se puede realizar una determinacion de fuente no ambigua. En este caso, "distinguir de" significa que la interseccion determinada a partir de la grafica no difiere de la firma de la fuente esperada de manera estadfsticamente significativa. Para multiples trazadores, el metodo Keeling se puede extender a multiples relaciones de trazadores.
30
Los metodos Keeling se aplican mejor cuando las mediciones de trazadores se pueden realizar en tiempo real. Para las mediciones de tipo de matraz en las que la cantidad de puntos de datos es mas limitada, el metodo Keeling aun se puede aplicar para la determinacion de la fuente, siempre que se tenga cuidado de recolectar muestras de matraces en o cerca del pico y en el punto de referenciacercano,donde los niveles de concentracion han vuelto al 35 ambiente, pero no tan lejos como para que otras fuentes de concentracion primaria o el trazador afecten los resultados.
Alternativamente, se puede utilizar un enfoque por J.B. Miller y P.P. Tans (Tellus, 55B, 207-214), en donde la concentracion del trazador se grafica en funcion de la concentracion primaria y se realiza una regresion lineal en 40 estos datos. La pendiente de la lfnea de mejor ajuste se utiliza para calcular la relacion del trazador de la fuga de gas. Una ventaja de este metodo es que la incertidumbre en la concentracion del trazador no suele variar con la concentracion primaria, lo que permite el uso de un algoritmo de regresion lineal no ponderado mas simple.
En algunos casos, se puede emplear un sistema de manejo de gas conectado con las mediciones secundarias de la 45 relacion isotopica. Por ejemplo, se puede utilizar un sistema de manejo de gas para adquirir una o mas muestras y proporcionar las muestras adquiridas a un instrumento de medicion de relacion isotopica fuera de lfnea. Aquf, fuera de lfnea indica que las mediciones de relacion isotopica son tfpicamente mas lentas de forma significativa que las mediciones primarias de concentracion de gas tal como se describio arriba. Por ende, la medicion de relacion isotopica esta fuera de lfnea con respecto a la escala de tiempo de las mediciones primarias de concentracion. Sin 50 embargo, el instrumento de medicion de relacion isotopica esta dispuesto, preferentemente, en la plataforma movil. Las muestras de relacion isotopica adquiridas se pueden analizar de forma integrada. La figura 4 muestra un ejemplo. Aquf, un sistema de manejo de gas (406) almacena una muestra adquirida en la entrada (402) en la camara (404), y es capaz de proporcionar el contenido de la camara (404) al instrumento (104) (aquf el instrumento (104) es un instrumento de relacion isotopica).
55
Se puede emplear cualquier enfoque para realizar las mediciones secundarias de la relacion isotopica. Si tambien se miden trazadores qufmicos, se puede emplear cualquier enfoque para dichas mediciones de trazadores. Preferentemente, se emplea espectroscopfa de absorcion optica tal como se describio arriba. Se pueden utilizar mediciones estacionarias ademas de las mediciones primarias de concentracion de gas, como se describio arriba.
60
Se pueden combinar mediciones secundarias de la relacion isotopica con mediciones de varios puntos y el analisis tal como se describe en la seccion C abajo. El analisis de escala espacial transversal automatico resultante puede proporcionar un calculo de la distancia a una fuente de fuga.
5 C) Mediciones de varios puntos para calculo de distancia
Hemos descubierto que las mediciones de varios puntos pueden ser utiles para proporcionar un calculo de la distancia a la fuente de fuga. En este caso, una medicion de varios puntos es cualquier medicion a partir de dos o mas puntos de la plataforma movil que esten separados transversalmente entre si. Las figuras 5a-c muestran un 10 ejemplo de separacion transversal. z es la direccion de desplazamiento de la plataforma, y es la direccion vertical y x es perpendicular a y y z. La figura 5a muestra puntos de medicion separados transversalmente (502) y (504), donde la separacion es enteramente en la direccion x. La figura 5b muestra puntos de medicion separados transversalmente (502) y (504), donde la separacion es parcialmente en la direccion x y parcialmente en la direccion z. Los puntos (502) y (504) en la figura 5b estan separados transversalmente porque hay una separacion diferente 15 de cero en la direccion x. La figura 5c muestra puntos de medicion separados transversalmente (502) y (504), donde la separacion es enteramente en la direccion y. Aquf, los puntos de medicion se colocan en un poste (506).
Un procedimiento de acuerdo con este aspecto de la invencion comienza con mediciones primarias de concentracion de gas de una plataforma movil tal como se describio arriba (se puede realizar u omitir el analisis de 20 escala espacial horizontal de los procedimientos descritos anteriormente). Las mediciones de varios puntos se utilizan para proporcionar un calculo de distancia. Mas especfficamente, se calcula una distancia entre una posicion de medicion de plataforma y una ubicacion de fuente de fuga, donde la posicion de medicion de plataforma es la posicion de la plataforma en el momento en que se realizan las mediciones pertinentes. Se utiliza un analisis de escala espacial automatico de las mediciones de varios puntos para proporcionar este calculo de distancia. Los 25 resultados, incluido el calculo de la distancia, se pueden proporcionar al usuario final de diversas maneras. Preferentemente, los puntos de medicion estan separados entre si en sentido vertical (p. ej., como en el ejemplo de la figura 5c). El analisis de escala espacial puede incluir proporcionar un modelo de penacho de fuga de gas e invertir este modelo para determinar una distancia de la fuente de un gradiente de concentracion medido. Cabe destacar que este gradiente de concentracion medido se puede determinar a partir de mediciones de varios puntos 30 tal como se considera en la presente. Los datos atmosfericos en tiempo real se pueden incluir en el modelo de penacho de gas.
Se pueden emplear diversos enfoques de manejo de gas junto con las mediciones de varios puntos. El requisito subyacente es obtener mediciones simultaneas o casi simultaneas (es decir, preferentemente dentro de 35 aproximadamente 5 segundos, mas preferentemente dentro de aproximadamente 1 segundo). Las figuras 6a-c muestran ejemplos de diversas mediciones de dos puntos. Todos estos enfoques se pueden extender a mediciones de cualquier cantidad de puntos separados de forma transversal. El ejemplo de la figura 6a muestra dos instrumentos (104a) y (104b) que tienen las entradas (502) y (504) separadas. Esto puede proporcionar claramente mediciones simultaneas, pero tiene la desventaja de aumentar el costo al duplicar el instrumento de medicion. El 40 ejemplo de la figura 6b muestra un instrumento unico (104) conectado a las entradas (502) y (504) a traves de un interruptor (602). Si el interruptor y el instrumento son lo suficientemente rapidos, este enfoque puede proporcionar mediciones casi simultaneas en las entradas. El ejemplo de la figura 6c muestra un sistema de manejo de gas (604) que tiene entradas separadas (502) y (504) que es capaz de proporcionar muestras adquiridas de forma simultanea o casi simultanea a un instrumento unico en la secuencia. Por ejemplo, las muestras adquiridas en las entradas 45 (502) y (504) se pueden almacenar en las camaras (606) y (608) respectivamente y proporcionar al instrumento (104) en la secuencia. La diferencia de tiempo entre el analisis de la camara (606) y la camara (608) no es importante.
Preferentemente, las mediciones primarias de concentracion de gas se realizan con espectroscopfa de absorcion 50 optica como se describio arriba. Tambien se pueden emplear mediciones de concentracion de gas estacionarias como las descritas anteriormente.
C2) Ejemplo de varios puntos
55 Consideramos el siguiente ejemplo de uso de multiples mediciones verticales de un penacho para cuantificar la distancia desde la medicion hasta la ubicacion de la fuente contra el viento. Un modelo ffsico claramente comprobado para un penacho, desarrollado por Gifford en 1959, es modelar el penacho como una distribucion gaussiana en las dimensiones espaciales transversales a la direccion del viento, o (para una fuente a nivel del suelo)
imagen5
Tal como se esperaba, las dimensiones de la distribucion gaussiana aumentan horizontal y verticalmente (es decir, Oy y a z, respectivamente) con el aumento de la distancia, y la cantidad que aumentan se puede calcular a partir de 5 las mediciones de la velocidad del viento, la irradiacion solar, el albedo del suelo, la humedad, y el terreno y los obstaculos, todos los cuales afectan la mezcla turbulenta de la atmosfera. Sin embargo, si se esta dispuesto a tolerar algo mas de incertidumbre en la estimacion de la distancia, la mezcla turbulenta de la atmosfera se puede calcular simplemente a partir de la velocidad del viento, la hora del dfa y el grado de nubosidad, todos los cuales son parametros que estan disponibles en la plataforma o en las bases de datos meteorologicos publicas en tiempo real.
10 Utilizando estos datos disponibles, se pueden calcular los parametros de ancho gaussiano (p. ej., mediante el uso del esquema de tipificacion de turbulencias Pasquill-Gifford-Turner o versiones modificadas de este esquema). Por ejemplo, una forma funcional posible para a y y a z es
imagen6
donde a y b son parametros de ajuste y x es la distancia a lo largo del eje de penacho. Se pueden realizar ajustes separados para las direcciones y y z, o se puede utilizar el mismo ajuste para ambas direcciones.
La medicion vertical de varios puntos se puede utilizar para calcular el ancho gaussiano vertical. El ancho horizontal 20 tambien se puede calcular a partir del analisis de escala espacial horizontal, pero el analisis vertical tiene la ventaja de que la medida vertical del penacho no esta tan fuertemente distorsionada por el movimiento de las plataformas y otras plataformas cercanas como lo esta la dimension horizontal, donde el penacho puede ser transportado horizontalmente por el movimiento de una plataforma.
25 Considerando el calculo del ancho vertical gaussiano, se pueden utilizar las tablas de consulta disponibles para determinar la distancia desde la fuente considerando el ancho y la informacion disponible sobre la mezcla turbulenta de la atmosfera. Incluso sin mediciones atmosfericas de ningun tipo, se puede determinar un calculo aproximado de la distancia (por ejemplo, en carretera, cerca de la carretera o lejos), lo que proporcionarfa informacion adicional valiosa a un inspector que busque la fuente de las emisiones.
30
Se pueden realizar otras formas de analisis de varios puntos, como alternativa al uso de un modelo de penacho. Por ejemplo, para las fuentes de la carretera, un punto de medicion en o cerca de la superficie de la carretera (por ejemplo, dentro de 25 cm) que este cerca de la fuente de emision vera una concentracion radicalmente diferente de un punto de medicion en un poste de 2-3 metros. En esta situacion, el modelo de penacho gaussiano se rompe y un 35 analisis de umbral como (altura de pico delta) / (altura de pico promedio) > t (donde el umbral t es del orden de 0,5) puede identificar de forma no ambigua dichas fuentes como locales (p. ej., en la carretera).
D) Interfaz de usuario
40 La figura 7 muestra una interfaz de usuario ejemplar relacionada con las realizaciones de la invencion. Aquf, una pantalla de mapa (302) tiene cifras de fuga (p. ej., 704, 708, 710) superpuestas. Las cifras de fuga incluyen indicadores (p. ej., 706) que muestran la ubicacion de las fugas detectadas (es decir, posiciones en la plataforma donde se midieron las concentraciones de fuga correspondientes). El tamano de la cifra se puede escalar de acuerdo con las cantidades tales como la amplitud pico (es decir, la cantidad por la cual la concentracion pico 45 supera el fondo local), la concentracion pico o el ancho espacial medido del pico. Los parametros numericos (tales como la amplitud, la concentracion, el ancho o un grado de gravedad de la fuga dentro de una region definida, etc.) se pueden mostrar dentro de las cifras de fuga. Si se realizan mediciones de relacion isotopica, tambien se pueden mostrar en la pantalla (p. ej., 712). Las cifras de fuga pueden tener cualquier forma. Los indicadores en las cifras de fuga pueden tener cualquier forma.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un procedimiento de deteccion y localizacion de fugas de gas, donde el procedimiento comprende:
    realizar una o mas mediciones de concentracion de gas a partir de un instrumento de medicion de gas 5 (104) que es transportado por un vehfculo o una entidad movil (102) que avanza a lo largo de al menos un
    carril de plataforma (106) dispuesto cerca de una o mas ubicaciones de fuga de gas potenciales; realizar un analisis de escala espacial horizontal automatico de las mediciones de concentracion de gas; determinar automaticamente si hay una fuga de gas presente en una o mas de las ubicaciones de fuga de gas potenciales basandose en el analisis de escala espacial horizontal automatico; y
    10 proporcionar una indicacion de fuga en las ubicaciones de fuga de gas potenciales a un usuario final;
    caracterizado porqueel analisis de escala espacial horizontal responde a los anchos medios del pico de concentracion de gas en un intervalo de deteccion de entre aproximadamente 1 m y aproximadamente 50 m, y no responde de forma sustancial a los anchos medios del pico de concentracion de gas fuera del intervalo de deteccion,
    15 donde f(x) es la concentracion de gas medida en funcion de la posicion x, donde g(x,w) es una funcion de nucleo gaussiano que tiene una escala espacial especificada por el parametro w, donde L(x,w) es una convolucion de f(x) y g(x,w), y donde los picos de concentracion de gas candidatos son identificados por el o los maximos locales de F(x,w)=-w(d2L(x,w)/dw2) con respecto a x y w.
    20 2. El procedimiento de la reivindicacion 1, donde F(x,w) se calcula solo en un intervalo w que
    corresponde con el intervalo de deteccion.
  2. 3. El procedimiento de la reivindicacion 1, donde la indicacion de fuga se obtiene mediante la comparacion de los valores de F(x,w) en sus maximos locales con un umbral predeterminado.
    25
  3. 4. El procedimiento de la reivindicacion 1, donde un maximo local de F(x,w) tiene las coordenadas x y w, y donde los calculos de posicion pico y ancho correspondientes x0 y w0, respectivamente, son proporcionados por x 0=x y
    30
  4. 5. El procedimiento de la reivindicacion 1, donde las mediciones de concentracion de gas se realizan a
    una tasa de 0,2 Hz o mayor, y ademas comprenden:
    medir la posicion del vehfculo o la entidad movil (102) a una tasa de 0,2 Hz o mayor para proporcionar 35 posiciones de plataforma medidas; y
    combinar las posiciones de vehfculo o entidad movil medidas con las mediciones de concentracion de gas para proporcionar los datos de concentracion de gas en funcion de la posicion para el analisis de escala espacial horizontal automatico.
    40 6. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1 que comprende ademas:
    realizar una o mas mediciones de trazador a partir del instrumento de medicion de gas (104) que es transportado por un vehfculo o una entidad movil (102) a medida que avanza a lo largo de al menos un carril de plataforma (106);
    donde determinar automaticamente si hay una fuga de gas presente en las ubicaciones de fuga de gas potenciales 45 tambien se basa en las mediciones de trazadores.
  5. 7. El procedimiento de la reivindicacion 6, donde la o las mediciones de trazadores son capaces de
    distinguir entre diferentes fuentes del gas medido por las mediciones de concentracion de gas.
    50 8. El procedimiento de la reivindicacion 7, donde la o las mediciones de trazadores incluyen mediciones
    de relacion isotopica.
  6. 9. El procedimiento de la reivindicacion 1, que ademas comprende
    realizar una o mas de las mediciones de concentracion de gas en dos o mas ubicaciones separadas 55 transversalmente en el vehfculo o una entidad movil (102) a medida que avanza a lo largo de al menos un
    carril de plataforma (106);
    realizar un analisis de escala espacial transversal automatico de las mediciones de concentracion de gas; donde determinar automaticamente si hay una fuga de gas presente en las ubicaciones de fuga de gas potenciales tambien se basa en los analisis de escala espacial transversal automatico.
    imagen1
  7. 10. El procedimiento de la reivindicacion 1, que ademas comprende proporcionar una pantalla que
    muestra un mapa con cifras de fuga (704, 708, 710) superpuestas en el mapa para mostrar las fugas detectadas,
    donde las cifras de fuga (704, 708, 710) incluyen indicadores que muestran las ubicaciones de las fugas detectadas,
    5 y donde los tamanos de las cifras de fuga (704, 708, 710) estan escalados con una diferencia entre la concentracion medida y un nivel de fondo local.
  8. 11. El procedimiento de la reivindicacion 1, que ademas comprende proporcionar una pantalla que
    muestra un mapa con cifras de fuga (704, 708, 710) superpuestas en el mapa para mostrar las fugas detectadas,
    10 donde las cifras de fuga (704, 708, 710) incluyen indicadores que muestran las ubicaciones de las fugas detectadas, y donde los tamanos de las cifras de fuga (704, 708, 710) estan escalados con la concentracion medida.
  9. 12. El procedimiento de la reivindicacion 1, que ademas comprende proporcionar una pantalla que
    muestra un mapa con cifras de fuga (704, 708, 710) superpuestas en el mapa para mostrar las fugas detectadas,
    15 donde los tamanos de las cifras de fuga (704, 708, 710) estan escalados con el ancho espacial de las fugas medidas.
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